Zeta-Jones vokste opp i et typisk arbeiderklasseområde i Swansea i Wales sammen med to søsken. Foreldrene var Patrick Jones, fabrikkarbeider, og Dia Fair, som hadde irsk og katolsk bakgrunn. Hun fikk en katolsk oppdragelse og gikk på offentlig skole. Navnet har hun fått etter sine bestemødre: én het Catherine og den andre Zeta.